JEM:孟卓贤/朱凌云团队揭示饮食干预改善2型糖尿病胰岛β细胞功能损伤的分子机制

营养过剩运动缺乏引起的肥胖2型糖尿病(T2D)已成为全球性公共卫生突出问题之一,严重危害人类健康的同时造成了巨大的社会负担和经济损失。然而最新的统计数据显示,目前全球仅有不到一半的 T2D 患者接受治疗,且其中超过半数患者的血糖控制不佳,最终引起多种并发症。胰岛β细胞功能损伤是 T2D 发生发展的关键因素之一

 

过去的研究提示随着 T2D 的发生发展,胰岛β细胞可能经历了代偿到失代偿的动态变化。越来越多的研究提示 T2D 疾病进程和疗效很大程度上取决于胰岛β细胞功能的损伤程度和恢复潜能。

 

然而迄今为止,在 T2D 发病过程中胰岛β细胞数量和功能的动态变化规律以及最终发生不可逆损伤的分子机制仍属空白,给糖尿病的个体化精准预防和治疗带来巨大挑战。深入解析 T2D 胰岛β细胞数量和功能的动态变化特征和损伤机制将为开发新的更加有效的糖尿病个体化治疗方案提供理论基础和分子靶标。

 

已知饮食和运动等生活方式干预是预防和治疗糖尿病的有效措施。近年来,多个临床试验结果表明胰岛β细胞功能的恢复潜力是饮食和运动干预是缓解和治疗 T2D 的决定因素。然而,饮食干预在肥胖和 T2D 发病的不同时期如何改善胰岛β细胞功能及其潜在的分子机制仍不清楚。由于胰岛解剖部分和结构的特殊性,已有的大部分研究都通过检测血液中胰岛素水平的变化来间接反映胰岛β细胞的功能;而血液循环中胰岛素水平的变化除了与胰岛β细胞功能有关,还与外周组织的胰岛素敏感性等因素密切相关,故而不能准确地反映胰岛β细胞的功能变化。因此,迫切需要建立一个合适稳定的动物模型,对上述过程和潜在机制展开深入研究。

 

2022年6月2日,浙江大学基础医学院孟卓贤团队和国防科技大学文理学院朱凌云团队合作,在 Journal of Experimental Medicine 期刊发表了题为:Dietary Intervention Preserves β-cell Function in Mice Through CTCF-mediated Transcriptional Reprogramming 的研究论文。该研究揭示了饮食干预通过 CTCF 介导的转录重编程改善2型糖尿病胰岛β细胞功能损伤。

 

JEM:孟卓贤/朱凌云团队揭示饮食干预改善2型糖尿病胰岛β细胞功能损伤的分子机制

 

该研究通过给予野生型小鼠高脂饮食(HFD)喂养1-6个月,在动物水平确证小鼠发生肥胖和 T2D 的基础上,首次利用自主搭建的胰岛动态灌流系统检测了葡萄糖刺激下胰岛β细胞的胰岛素分泌功能,发现随着 HFD 时间的延长,小鼠胰岛β细胞葡萄糖刺激的1相和2相胰岛素分泌功能表现出了从早期代偿到中晚期的失代偿和功能衰竭的动态变化,建立了一个能够重现 T2D 发病过程中胰岛β细胞数量和功能发生动态变化的动物模型。为了探究上述动态过程的潜在机制,研究人员运用转录组测序(RNA-Seq),分析了肥胖和 T2D 发病的各个阶段胰岛基因表达网络的变化规律,发现除了细胞代谢和应激反应等经典生物学过程之外,染色质重塑和组蛋白修饰也可能在胰岛β细胞功能由代偿到失代偿的转折过程中发挥关键作用。

 

JEM:孟卓贤/朱凌云团队揭示饮食干预改善2型糖尿病胰岛β细胞功能损伤的分子机制

胰岛动态灌流系统示意图

 

研究团队进一步对胰岛功能仍处于代偿期的 T2D 小鼠进行饮食干预(将HFD换成正常饮食),模拟临床研究中对肥胖和早期 T2D 糖尿病患者进行的饮食干预。通过体内外胰岛功能研究和多组学分析,发现饮食干预能够几乎完全逆转 HFD 诱导的胰岛组织形态学变化、细胞组成以及胰岛β细胞葡萄糖刺激的1相和2相胰岛素分泌功能损伤。为了探究饮食干预改善胰岛功能的分子机制,研究人员首先利用全胰岛 RNA-Seq 和胰岛单细胞转录组测序(sc-RNA-Seq)技术,揭示了饮食干预可能通过调控胰岛β细胞葡萄糖代谢、细胞钙离子响应和细胞应激相关基因的转录重编程(transcriptional reprogramming)改善胰岛β细胞功能。进而,研究人员利用ATAC-Seq技术在全基因组水平分析了饮食干预对胰岛β细胞细胞染色质可及性的影响,结果提示染色质重塑(chromatin remodeling)介导的转录重编程(transcriptional reprogramming)可能是饮食干预改善胰岛功能重要机制。

 

进一步通过对受饮食干预调控的染色质开放区域进行基序分析(motif analysis),发现 DNA 结合蛋白 CTCF 可能是驱动饮食干预改善胰岛β细胞功能的关键分子。为了验证这一可能性,研究人员利用 CUT&Tag 技术分析了 HFD 和饮食干预对 CTCF 在全基因组水平与 DNA 结合情况的影响,结果发现饮食干预显著影响了 CTCF 在细胞代谢(如Slc2a2和内质网应激(如Hspa1a、Hspa1b相关的基因附近的结合,并引起相应基因表达的显著改变,说明饮食干预可能通过 CTCF 介导的转录重编程改善 T2D 胰岛β细胞的功能损伤。

 

为了进一步明确 CTCF 在饮食干预改善 T2D 胰岛β细胞功能中的作用,研究团队分析了在 T2D 发病过程中以及饮食干预后胰岛β细胞中的 CTCF 表达水平的变化,结果表明, CTCF 的表达水平在 T2D 患者和 T2D 模型小鼠的胰岛β细胞中均显著下调,而饮食干预能够显著恢复其表达水平。研究还发现 T2D 相关的脂毒性和慢性炎症是胰岛β细胞中 CTCF 下调的重要原因。最后,研究人员利用 AAV 胰腺导管内注射技术成功在 T2D 小鼠胰岛中实现 CTCF 的长期过表达,发现回补 CTCF 的表达水平能够很好地模拟饮食干预通过转录重编程改善胰岛β细胞功能和全身血糖稳态

 

JEM:孟卓贤/朱凌云团队揭示饮食干预改善2型糖尿病胰岛β细胞功能损伤的分子机制

小鼠胰腺导管注射手术示意图

 

综上所述,该研究利用 HFD 喂养的肥胖和 T2D 小鼠为动物模型,结合 AAV 和胰腺导管内注射技术建立胰岛体内、外基因过表达模型,充分利用原代胰岛动态灌流和钙成像等胰岛β细胞功能分析技术,基于 ATAC-Seq、CUT&Tag、RNA-Seq 和 scRNA-Seq 的表观组、转录组和基因组分析技术,系统地描绘了肥胖和T2D发生发展过程中胰岛β细胞功能和基因表达谱的动态变化图谱,揭示了饮食干预对T2D胰岛β细胞功能的改善作用,发现了 DNA 结合蛋白 CTCF 通过染色质重塑(chromatin remodeling)介导的选择性转录重编程(selective transcriptional reprogramming),在饮食干预保护 T2D 胰岛β细胞功能中发挥关键作用该研究为饮食健康提供了新的理论依据,为开发以胰岛β细胞为靶标的T2D治疗方法和药物提供了新的思路和靶点。

 

JEM:孟卓贤/朱凌云团队揭示饮食干预改善2型糖尿病胰岛β细胞功能损伤的分子机制

饮食干预通过CTCF介导的转录重编程改善T2D胰岛β细胞功能损伤

 

浙江大学基础医学院王若然博士、潘然博士,国防科技大学文理学院邱鑫源助理研究员和树兰(杭州)医院药剂科傅红兴副教授为论文共同第一作者。孟卓贤研究员、朱凌云教授和邱鑫源助理研究员为共同通讯作者。

论文链接

https://doi.org/10.1084/jem.20211779

原文始发于微信公众号(生物世界):JEM:孟卓贤/朱凌云团队揭示饮食干预改善2型糖尿病胰岛β细胞功能损伤的分子机制

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